【《混合储能的光伏发电系统原理分析》3200字】

1.混合储能的光伏发电系统原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u14629混合储能的光伏发电系统原理分析 1260261.1系统的基本构成 121091.2铅酸蓄电池的工作原理及模型分析 2236371.3超级电容的工作原理及模型分析 4204851.4光伏电池的建模与特性分析 61.1系统的基本构成从结构上讲，光伏发电系统由光伏电池、逆变器、控制器、储能装置和电气负载五大部分组成。而负载又可以分为直流负载和交流负载，直流负载通常直接使用来自光伏电池的功率或者从支撑电池的光伏存储系统接收直流功率而连接到独立光伏系统。交流负载更广泛，它可以是我们日常的电器，也可以并入大电网，即实现光伏发电系统的并网运行。（1）光伏电池：无论是作用大小，还是造价成本，光伏发电系统结构的核心关键肯定就是光伏电池模块了。光伏电池的主要作用是将太阳光辐射到各种硅材料板上的能量转变成电能，再根据需要提供给直流负载使用，也可以输入到储能装置中暂时储存起来。特别值得注意的一点是，发电系统的发电质量是取决于光伏电池的质量的。此外，当外界环境比较恶劣的话，对光伏电池的影响也会非常严重。（2）MPPT控制器：顾名思义，控制器的作用是对整个光伏发电系统的工作状态起一个关键性的控制作用，是光伏发电系统控制中的核心，它主要是负责尽可能多地把光伏电池吸收太阳光转化成的电能输出给母线，并维持在最大功率点附近。（3）储能系统：在光伏发电系统中需要将产生的多余能量存储起来，便于之后的使用。受困于电能存储的技术限制，蓄电池能够存储足够的电能，但是循环次数少，且容易出现损耗，增加了系统成本。现在研究的方向主要是利用混合储能可以互补的优势，提高系统多余能量的储存和光伏电池输出不足时的向外供电。（4）直流负载：在日常生活中直流负载并不常见，它与蓄电池一样，被安置在分布式光伏发电系统中居多，它往往是直接使用光伏电池转换而来的直流电，当光伏电池输出功率有限时，蓄电池或者其它储能装置就是它的后备能源。（5）逆变器：逆变器的主要作用是将无法直接使用的直流电转换为合适的交流电，而后将转换而来的交流电输送到电网供给交流负载使用。1.2铅酸蓄电池的工作原理及模型分析蓄电池是先将电能存储起来，在系统需要供电是再传输给负载，是按照可再充电设计的电池，是一种二次电池。现阶段常用的蓄电池种类分为铅酸蓄电池、UPS蓄电池、超级蓄电池、磷酸铁锂蓄电池。铅酸蓄电池被市场的应用范围是最广阔的，其优点是可工作温度范围广，工作电压较高，各阶段放电性能良好，并且价格低廉，技术已经十分成熟，具有一定的可回收利用价值。但是缺点也很明显，铅酸蓄电池的能量密度较低，体积、重量都较大，循环使用次数较少，长期使用后需要经常更换，充电时间较长。在含电解液的铅酸蓄电池内部会在金属板上发生可逆的化学反应：（2-1）放电时负极：（2-2）放电时正极：（2-3）铅酸蓄电池在充电时的内部发生的反应如图2-1所示。图2-1铅酸蓄电池的充电过程原理模型充电时阴极：（2-4）充电时阳极：（2-5）在图2-1中Ⅰ为放点状态，Ⅱ为溶解电离，Ⅲ为通入电流，Ⅳ为充电状态建立蓄电池等效模型的一般方法是根据电池内部特征和外部参数的变化，用数学表达式来描述充放电过程中的参数变化情况REF_Ref71150526\r\h[17]。蓄电池的等效模型有很多种，为了使其结构简单，方便分析，可以采用通用等效模型，更准确地体现出蓄电池SOC与输出电压之间的关系。蓄电池的等效模型如图2-2所示。图2-2蓄电池通用等效模型通用等效模型的主体部分是由受控电压源和电阻R构成，E代表受控电压源的电压，I表示蓄电池的电流值，此模型中的表达式为（2-6）公式（2-6）中的E0为蓄电池的额定电压，K为蓄电池的极化电压，A是指数电压幅值，B为指数容量的倒数，Q是蓄电池的额定容量。图2-3蓄电池电压与SOC的关系从蓄电池通用等效模型可以得到如图2-3所示的曲线关系，其中Vbat为蓄电池的端电压，Vmax为蓄电池端电压的最高值，Qbat1.3超级电容的工作原理及模型分析超级电容是一种新型的电容型储能电源，通过多孔电极和电解质溶液组成一种双电层架构获得更大的容量，并且因为它的储能方式是物理性质的可逆过程，所以拥有这个特性的超级电容可以进行多达几十万次的充放电过程。超级电容的工作原理如图2-4所示。图2-4超级电容的工作过程原理目前超级电容最常用的电路等效模型结构是图2-5（Ⅰ）所示，等效电路中Usc为超级电容端电压，Isc为超级电容的电流，Rs表示超级电容的串联等效电阻，Rp表示超级电容的漏电情况，但是因为超级电容充放电的速度较快，可以忽略图2-5超级电容的等效电路由此可以得出超级电容的端电压与流过电阻的关系式为：（2-7）从表达式中可以得出结果，当流过超级电容的电流Isc为0时，等效电容的两端电压就是超级电容的端电压Usc。超级电容有一个重要参数是荷电状态SOC，它与超级电容的储存电量水平有关。当超级电容长期处于工作状态时，为了使超级电容能够平稳的处于运行状态，需要让超级电容的端电压维持在Uscmax与Uscmin之间。通过电容的储存状态与端电压Usc（2-8）根据公式（2-8），可以得到超级电容SOC与超级电容端电压Usc的关系图，Q图2-6超级电容端电压与SOC的关系从图2-6中可以直观看到，在超级电容保持持续放电的时候，端电压Usc1.4光伏电池的建模与特性分析光伏电池就是把辐射在电池板上的太阳能转换为供负载使用的电能，大都是以硅为材料做成的硅电池，依据实际要求，又把光伏电池经过某种组合，搭建出需要的功率输出和输出电压的光伏阵列。在仿真中的光伏阵列有很多种模型，MATLAB中甚至也有搭建好的集成模块可供使用，只需要根据自己的要求加以修改即可，总体上都是大同小异。下图2-7为光伏电池等效电路：图2-7光伏电池等效电路根据电路，根据光伏电池的特点可以得到关系式：（2-9）在参考的文献中都会考虑到因为Rsh很大而Rs很小从而对公式2-9进行简化。实际更常见的数学表达式，如公式2-10至2-12所示。可以根据生产商提供的相关电气相关量参数，一般是在日照强度为S=1000W/m2，电池温度T=25℃时的参数。根据其中短路电流Ioc、开路电压U（2-10）公式（2-10）中的C1和C2的数学表达式分别为：（2-11）（2-12）光伏电池的内部仿真集成模型如下图2-8图2-8光伏电池模型其中最大功率点电压为Um，最大功率点电流为Im，短路电流Isc在Simulink中搭建关于光伏电池的输出模型，测试不同环境因素下的光伏电池输出功率与端电压P/U特性曲线、输出电流与端电压的U/I特性曲线。设置的开路电压Uoc为301.6V，短路电流Isc为35.4A，最大功率点电压Um为244V，最大功率点电流I图2-3光伏电池仿真模型因为光伏电池的输出特性会受到来自光照强度和温度等环境因素的影响，所以输出特性将从光照强度和温度两个环境因素进行分析，图2-4和图2-5分别为不同条件下的仿真运行结果。在温度T=25℃时，光照强度发生变化时的光伏电池输出特性曲线图2-4光照强度变化时光伏电池输出电流、功率与端电压的